謝 勇 羅清海 李光輝 龍正熠

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的提高，對(duì)優(yōu)良的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求也逐漸變高。室外空氣溫濕度與室內(nèi)壁面溫度是影響室內(nèi)熱濕環(huán)境的三個(gè)重要指標(biāo)。在“回南天”和梅雨季節(jié)，溫度較高的室外濕空氣遇到溫度較低而又不吸水的室內(nèi)壁面時(shí)，易在壁面產(chǎn)生凝結(jié)水，會(huì)給居民生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重困擾。通常表現(xiàn)為：增加建筑能耗、降低人體舒適度、影響室內(nèi)衛(wèi)生健康、導(dǎo)致建筑設(shè)備出現(xiàn)故障和影響建筑使用壽命。荊州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，和廣大冬冷夏熱地區(qū)一樣，在“回南天”也會(huì)在農(nóng)宅首層地面出現(xiàn)嚴(yán)重返潮結(jié)露情況。因此，采取高效節(jié)能的防潮措施對(duì)于人們的生產(chǎn)生活顯得尤為重要。

1 案例農(nóng)宅實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

選取實(shí)測(cè)的房間進(jìn)行分析，房間一層平面圖如圖1所示：

房間的層高為3.5 m，對(duì)臥室、衛(wèi)生間和客廳進(jìn)行了“回南天”的返潮結(jié)露實(shí)測(cè)：臥室的返潮現(xiàn)象比較嚴(yán)重，臥室是供人休息和睡眠的重要場(chǎng)所，重點(diǎn)選擇將臥室作為研究對(duì)象來(lái)提出相應(yīng)改善措施。

2021 年3 月16 日這一天是荊州農(nóng)村地區(qū)“回南天”，室內(nèi)返潮現(xiàn)象比較嚴(yán)重，以返潮結(jié)露嚴(yán)重時(shí)間段10-18 h 為例進(jìn)行分析。這一時(shí)間段室內(nèi)外特點(diǎn)：室外天氣陰；外溫（19～28 ℃）；風(fēng)力3～4級(jí)。

各測(cè)點(diǎn)情況：1 號(hào)測(cè)點(diǎn)，客廳墻角邊；2 號(hào)測(cè)點(diǎn)，洗手間洗手臺(tái)旁；3 號(hào)測(cè)點(diǎn)，臥室中部；4 號(hào)測(cè)點(diǎn)，農(nóng)宅外。使用的儀器有2 臺(tái)UNT-T 溫濕度自記儀、熱電偶和水銀溫度計(jì)。實(shí)測(cè)情況如圖2～5所示。

圖2 客廳1號(hào)測(cè)點(diǎn)

圖3 洗手臺(tái)旁2號(hào)測(cè)點(diǎn)

圖4 臥室3號(hào)測(cè)點(diǎn)

圖5 農(nóng)宅外4號(hào)測(cè)點(diǎn)

每隔1 h實(shí)測(cè)一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

對(duì)表1中數(shù)據(jù)解釋如下：

表1 各房間3月16日10-18 h室內(nèi)外參數(shù)匯總表

續(xù)表

1）測(cè)試用水銀溫度計(jì)（精度為0.1 ℃）進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)熱電偶所測(cè)溫度與水銀溫度計(jì)所測(cè)溫差為0.5 ℃左右，相差不是很大，且熱電偶精度更高，水銀溫度計(jì)讀數(shù)時(shí)可能還會(huì)有一定的讀數(shù)誤差，綜合考慮，仍采用熱電偶所記錄溫度數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；

2）相較于其他墻體，北墻結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)更大，故本次實(shí)測(cè)選取室內(nèi)北墻布置測(cè)點(diǎn)，為簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算和模擬，不考慮墻體之間溫度的差異性；

3）實(shí)測(cè)室內(nèi)已經(jīng)盡可能避免室內(nèi)濕源和人為因素的干擾；

4）實(shí)測(cè)是為了對(duì)比室內(nèi)露點(diǎn)溫度和室內(nèi)壁面溫度大小，判斷室內(nèi)壁面結(jié)露情況；對(duì)比室外露點(diǎn)溫度與室內(nèi)壁面溫度大小，判斷室外濕空氣進(jìn)入室內(nèi)對(duì)室內(nèi)房間影響情況等。

2 不同防返潮節(jié)能措施

2.1 利用生石灰防返潮結(jié)露措施

采用生石灰吸潮時(shí)，生石灰會(huì)變成熟石灰，整個(gè)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

當(dāng)生石灰的量為500 g 時(shí)，根據(jù)方程式計(jì)算得出所需的用水量為160.71 g。

對(duì)于室內(nèi)返潮時(shí)房間的除濕量，計(jì)算公式如下：

其中：

W——所需的除濕量（kg/h）；

1.2——安全系數(shù)（損耗）；

ρ——空氣密度（kg/m3），一般取1.2；

V——場(chǎng)所體積；

X2——除濕前空氣的絕對(duì)濕度；

X1——除濕后空氣的絕對(duì)濕度；

1 000——g換算為kg。

根據(jù)人的舒適度要求，用生石灰除濕后的相對(duì)濕度人居標(biāo)準(zhǔn)為60%左右，干燥標(biāo)準(zhǔn)為50%左右。

絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度轉(zhuǎn)化關(guān)系如公式（2）：

其中：

f——空氣中水蒸氣絕對(duì)濕度；

W——相對(duì)濕度值；

F——在同樣濕度下空氣飽和水蒸氣量，g/m3。飽和水蒸氣量如表2所示。

表2 飽和水蒸氣量表

將3 月16 日所測(cè)的返潮嚴(yán)重時(shí)間段室內(nèi)相對(duì)濕度值和溫度值代入公式(1)和公式(2)，得到臥室、客廳和衛(wèi)生間除濕所需生石灰量，如表3～5 所示。從表中可以看出，對(duì)于18 m2的客廳，室內(nèi)返潮嚴(yán)重時(shí)段10-18時(shí)所需要的生石灰量為12.517 kg；對(duì)于5.57 m2的衛(wèi)生間室內(nèi)除濕需要的生石灰總量為3.953 kg；對(duì)于23.93 m2的客廳室內(nèi)除濕所需要的生石灰總量為15.893 kg，通過(guò)生石灰價(jià)格調(diào)查，生石灰價(jià)格大概是0.35 元/kg，故上述生石灰總共花費(fèi)為11.33 元，在一般返潮結(jié)露情況下可能費(fèi)用更低，且全年返潮日數(shù)不算太多，故在農(nóng)村地區(qū)采用生石灰除濕的年費(fèi)用在500 元左右，相比空調(diào)等機(jī)械設(shè)備除濕更經(jīng)濟(jì)，證明農(nóng)宅室內(nèi)除濕時(shí)傳統(tǒng)加生石灰的方式確實(shí)是可行的，但對(duì)于面積特別大的房間，特別是城市建筑不太實(shí)用。

表3 臥室除濕所需生石灰量匯總表

表4 客廳除濕所需生石灰量匯總表

表5 衛(wèi)生間除濕所需生石灰量匯總表

2.2 改變通風(fēng)換氣次數(shù)防返潮結(jié)露措施模擬

在返潮天氣，室內(nèi)開(kāi)窗通風(fēng)對(duì)室內(nèi)返潮結(jié)露凝結(jié)量有重大影響，為探究在室內(nèi)返潮情況下，開(kāi)窗通風(fēng)是否具有對(duì)室內(nèi)濕環(huán)境改善的作用，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算和分析。

《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50824-2013》規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間夏季通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)取5 h-1，且其標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明房間換氣次數(shù)可達(dá)到5 h-1以上?？紤]到農(nóng)村住宅自然通風(fēng)換氣次數(shù)也不會(huì)太多，且方便進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，本案例農(nóng)村自然通風(fēng)換氣次數(shù)最大取 10 次 h-1；依據(jù)陳宇紅等人［1］的研究，我國(guó)住宅等自然通風(fēng)民用建筑的室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù)集中為0.3～0.4 h-1，考慮農(nóng)村住宅氣密性較差，故取其門(mén)窗關(guān)閉時(shí)的通風(fēng)換氣次數(shù)為0.5 h-1。

由于數(shù)值模擬的房間為一層帶平屋頂?shù)膯伍g，沒(méi)有適宜的現(xiàn)有建筑去測(cè)量房間屋頂內(nèi)表面溫度，且主要研究對(duì)象為室內(nèi)地面和墻體內(nèi)表面的結(jié)露返潮情況，且不考慮墻體之間溫度的差異性，故依據(jù)以下近似處理和假定，對(duì)屋頂內(nèi)表面溫度進(jìn)行粗略的估值：

1）假定室外墻壁表面發(fā)射率與屋頂外表面發(fā)射率相同；

2）房間高度為3.5 m，當(dāng)時(shí)室外風(fēng)力為2～3級(jí)，掠過(guò)屋頂外表面的風(fēng)速與掠過(guò)室外墻壁的風(fēng)速相差不會(huì)太大，故假定屋頂外表面與室外墻壁的對(duì)流換熱系數(shù)相同；

3）假定室外墻壁熱惰性與室內(nèi)墻體及屋頂熱惰性相近，室內(nèi)空氣對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度影響較?。?/p>

4）假定該房間設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)規(guī)范［2-3］查得，屋頂傳熱系數(shù)應(yīng)小于 1.0 W/(m2·K)，屋頂厚度在190～290 mm 之間，即屋頂傳熱熱阻較??；

5）假定屋頂為均質(zhì)屋頂，水平方向上屋頂各截面溫度相同。

綜上所述，屋頂外表面溫度與內(nèi)表面溫度相差不大，屋頂外表面溫度與室外墻壁溫度相差不大，故將屋頂內(nèi)表面溫度粗略取值為室外墻壁溫度值。對(duì)墻體內(nèi)表面平均溫度的處理：

依據(jù)文獻(xiàn)［4］，均勻墻體表面溫度分布規(guī)律符合正態(tài)分布規(guī)律，為簡(jiǎn)便計(jì)算，取墻體表面最低溫與最高溫的算術(shù)平均值作為墻體的平均溫度值。在計(jì)算中，假定墻體為均勻墻體，其溫度分布服從正態(tài)分布，墻體表面最低溫取實(shí)測(cè)墻面溫度（測(cè)點(diǎn)距離地面20 cm），墻體表面最高溫取與屋頂內(nèi)表面接觸的墻頂溫度，忽略熱橋及其他熱影響，即取屋頂內(nèi)表面溫度值為墻體表面最高溫度值。

針對(duì)以上的假設(shè)，對(duì)實(shí)測(cè)臥室進(jìn)行模擬研究。

2.2.1 物理模型的建立

選取實(shí)測(cè)的臥室作為模擬對(duì)象，臥室2扇窗，尺寸都是寬1.2 m，高1.5 m；臥室2扇門(mén)：外門(mén)寬1 m，高2.1 m；內(nèi)門(mén)寬0.9 m，高2.1 m，為了不考慮相鄰房間影響，畫(huà)物理模型時(shí)只考慮了向室外開(kāi)的門(mén)，房間處于單開(kāi)窗狀態(tài)。房間墻、窗的具體參數(shù)如表6所示。

表6 實(shí)測(cè)臥室墻、窗參數(shù)

針對(duì)此臥室所作物理模型簡(jiǎn)化如下：

1)室內(nèi)無(wú)內(nèi)熱源和其它濕源影響；

2)房間各壁面?zhèn)鳠峋鶆?，不考慮壁面之間溫度的差異性；

3)不考慮通過(guò)玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射散熱內(nèi)部各壁面之間輻射的影響。

房間結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 臥室物理模型

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

1)三大方程

質(zhì)量守恒方程：

任何流動(dòng)都必須滿足質(zhì)量守恒方程。對(duì)于不可壓流體，質(zhì)量守恒方程如下：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

2)組分輸運(yùn)方程

室內(nèi)氣體可以看作是由水蒸氣及干空氣組成的混合氣體。室內(nèi)濕空氣隨氣流不斷進(jìn)行對(duì)流和擴(kuò)散，整個(gè)過(guò)程用組分輸運(yùn)描述為：

其中：

Yi——混合物中第i種組分的質(zhì)量分率；

Ri——化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率；

Si——離散相及用戶定義的源項(xiàng)引起的額外產(chǎn)生速率；

Ji——第i種組分的擴(kuò)散通量，Ji=-ρDi，m?Yi，其中Di，m為第i種組分的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。

3)湍流模型

在Reynolds 時(shí)均方程法中，k-ε兩方程湍流模型應(yīng)用最廣。湍流模型目前有多種模擬方法，采用應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)窗（入口邊界）和門(mén)(出口邊界)進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格整體質(zhì)量在0.8以上，如圖7所示，這些區(qū)域網(wǎng)格密，而室內(nèi)中部網(wǎng)格疏。這樣可以在保證計(jì)算精度的條件下，提高計(jì)算的精準(zhǔn)性。

圖7 模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖

2.2.4 邊界條件

選取所測(cè)當(dāng)日13時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)上述對(duì)壁面溫度的處理，不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的室內(nèi)外狀態(tài)參數(shù)如表7所示。

表7 臥室13 h室內(nèi)外參數(shù)

來(lái)流速度計(jì)算公式：

其中：

n為通風(fēng)換氣次數(shù)；V為臥室體積，經(jīng)計(jì)算臥室體積為63 m3；S為開(kāi)窗面積，開(kāi)一扇窗面積經(jīng)計(jì)算為1.8 m2。

邊界條件如表7。入口取速度入口（從窗進(jìn)入），出口取壓力出口（從門(mén)流出）。

模擬松弛因子選用默認(rèn)松弛因子進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)殘差不收斂時(shí)，適當(dāng)調(diào)整松弛因子使得殘差達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.5 模擬結(jié)果分析

不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的室內(nèi)相對(duì)濕度分布情況見(jiàn)圖8所示。

圖8 單開(kāi)窗不同通風(fēng)換氣次數(shù)下室內(nèi)濕度場(chǎng)云圖

從不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的室內(nèi)濕度分布情況可以看出，隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加，室內(nèi)濕環(huán)境狀況逐漸變得不理想，地面結(jié)露受潮情況越來(lái)越嚴(yán)重；從圖9 看出，隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加，室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度與壁面溫度的差值總體呈變大的趨勢(shì)，室內(nèi)越來(lái)越潮濕，說(shuō)明此時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)的提高并沒(méi)有使房間濕環(huán)境得到有效的改善，而人們通常所認(rèn)知的，在室內(nèi)熱濕環(huán)境不理想的情況下可以利用自然通風(fēng)改善的方式在返潮天氣并不適用。

圖9 露點(diǎn)溫度與壁面溫度隨通風(fēng)換氣次數(shù)改變的變化

自然通風(fēng)可以對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境起到改善作用是有針對(duì)性的，在夏季適當(dāng)氣候條件、地理?xiàng)l件及適宜時(shí)段的自然通風(fēng)可以有效改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，如夏季夜間自然通風(fēng)。朱國(guó)濤等人［5］利用FLUENT軟件分別研究了不同時(shí)段的自然通風(fēng)對(duì)合肥地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明在所模擬的夜間通風(fēng)時(shí)段21:00 至次日5:00，室內(nèi)環(huán)境溫度平均溫降為5.9 ℃左右，降溫效果明顯，而5:00-9:00 自然通風(fēng)時(shí)段室內(nèi)環(huán)境溫度平均溫降為2.5 ℃左右，此時(shí)的自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果不如夜間時(shí)段的自然通風(fēng)。在潮濕天氣下，由于農(nóng)村建筑周?chē)酁槟嗤恋孛妫脖幌鄬?duì)茂盛，農(nóng)村建筑周邊會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)，此時(shí)開(kāi)窗會(huì)使得室外高濕度的空氣進(jìn)入室內(nèi)，有可能加重室內(nèi)結(jié)露和潮濕，反而不利于室內(nèi)濕環(huán)境的改善。

3 結(jié)論

以荊州典型農(nóng)宅作為研究對(duì)象，利用除濕量計(jì)算公式算出不同房間在所測(cè)時(shí)段室內(nèi)除濕所需的生石灰量，并預(yù)估了一年所需的生石灰總費(fèi)用，與采用空調(diào)等機(jī)械設(shè)備除濕相比更經(jīng)濟(jì)，證明農(nóng)宅小房間可以采取生石灰除濕方式，對(duì)于城市建筑和農(nóng)宅大面積房間此方法不可行。

對(duì)屋頂內(nèi)表面溫度和墻體內(nèi)表面平均溫度進(jìn)行近似處理，利用CFD 軟件模擬了臥室在所測(cè)時(shí)段13 h 不同通風(fēng)換氣次數(shù)下的濕度場(chǎng)變化，得出結(jié)論：

隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加，室內(nèi)濕環(huán)境狀況變得不理想，地面返潮情況越來(lái)越嚴(yán)重，與人們有關(guān)返潮天氣下通風(fēng)改善室內(nèi)濕環(huán)境認(rèn)知相悖，此時(shí)應(yīng)該采用空調(diào)等機(jī)械除濕設(shè)備進(jìn)行除濕。